一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法技术

本发明专利技术公开一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法，属于晶体生长领域，该方法采用了高温时与氮元素发生化学反应的除氮物质，所形成的氮化物在碳化硅合成温度范围内以稳定的形态存在，有效避免氮杂质进入碳化硅晶格中，突破了目前传统的碳化硅原料合成方式，实现了低氮含量的碳化硅原料合成，其氮含量低于2×10

A Method for Reducing Nitrogen Impurity Content in Silicon Carbide Powder

【技术实现步骤摘要】
一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法
本专利技术涉及晶体生长领域，特别是涉及一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法。
技术介绍
作为第三代半导体材料，碳化硅(SiC)单晶具有禁带宽度大，抗辐射能力强，击穿电场高，介电常数小，热导率高，电子饱和漂移速度高，化学稳定性高等独特的特性，可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件，应用于硅器件难以胜任的场合，被认为是制造光电子器件、高频大功率器件、电力电子器件理想的半导体材料。在白光照明、光存储、屏幕显示、航天航空、高温辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子化等方面有广泛应用，尤其在国防军事上有着重要的战略地位，因此受到各国的高度重视。目前，生长SiC晶体最有效的方法是物理气相传输法(PhysicalVaporTransport，即PVT法)，且在升华系统中形成的晶体具有较低的缺陷水准，因此也是主要商业化量产的技术。在采用PVT法生长SiC晶体时，生长设备、石墨元件和保温材料无法避免受到氮杂质的污染，这些材料会吸附大量的氮杂质，从而导致所生长的SiC晶体中氮杂质含量较高。而用于晶体生长的原材料——SiC粉体，目前商业化生产的高纯SiC粉体原料纯度一般只能达到99.999％的纯度，其中的氮含量大都在5×1016个/cm3以上的水平，严重影响其后续产品——高纯半绝缘碳化硅单晶中的氮含量。因此，降低粉体原料中氮杂质含量，对于制备高纯半绝缘碳化硅晶体具有重要的意义。目前通用的高纯碳化硅粉体合成技术，主要采用高纯硅粉和高纯碳粉高温固相合成，即自蔓延高温合成。如中国专利CN102701208A通过的方法是将高纯硅粉和高纯碳粉混合均匀后，然后进行高真空热处理，即采用高纯惰性气体在不同压力和不同温度下抽真空清洗，可以获得氮含量在15ppm以下的高纯碳化硅粉体(氮浓度约1.5×1018个/cm3)，但远高于当前高纯粉料对氮含量的要求。中国专利CN103708463A公开了公斤级高纯碳化硅粉的制备方法，该方法首先进行坩埚镀膜预处理，先镀碳膜然后镀碳化硅膜，然后将硅粉和碳粉混合均匀后放入中频加热炉，升温通入氩气、氦气等气体，保温一定时间后降温，即可得到公斤级高纯碳化硅粉料，但氮杂质浓度仍未得到有效降低。中国专利CN101302011A公开了用于半导体单晶生长的高纯碳化硅粉的人工合成方法，主要采用二次合成方法，将硅粉和碳粉混合后，第一次先低温1500℃合成，然后将一次合成的粉料混合均匀后升高温度到1800-2000℃进行二次合成，该方法可有效降低硅粉和碳粉中的部分杂质元素，但对于降低氮元素而言并未采取针对性的措施，第一次合成过程中氮元素已经参与反应并均匀掺入了碳化硅晶格中，因此该方法不能有效降低氮杂质的含量。中国专利CN103508454B也存在上述专利中同样的问题，即未采取针对性措施抑制氮元素参与反应，导致氮元素在碳与硅原料开始反应时就进入了晶格。因此，降低碳化硅粉体氮杂质含量，对于制备高纯半绝缘SiC晶体具有重要的意义。
技术实现思路
为解决传统自蔓延合成SiC粉体存在的氮杂质浓度过高的问题，本专利技术提供一种可用于高纯半绝缘SiC单晶生长用的低氮杂质浓度的碳化硅粉体合成方法。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术提供一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法，包括以下步骤，(1)将硅原料和碳原料充分混合；(2)在硅原料和碳原料混合物中加入除氮物质，之后将含有除氮物质和碳硅混合物原料的坩埚置于反应室中；所述坩埚材料为高纯石墨，纯度为99.9995％以上；(3)对反应室抽真空，降低反应室中的氧气与氮气的含量；(4)对反应室加热，升高温度，使除氮物质与氮元素反应，形成在2400℃以下不会发生分解的固体或气体形态的氮化物；(5)向反应室中通入惰性气体，维持反应室的压力，逐渐升高反应室的温度，使碳原料和硅原料发生反应，逐渐降温至室温，结束反应；(6)将所得到的碳化硅中的氮化物除去，得到低含氮量的碳化硅原料；进一步地，所述硅原料为硅的单质形态，包括硅粉、硅颗粒或无定型硅；所述碳原料为碳的单质形态，包括石墨、金刚石或无定型碳。进一步地，所述硅原料采用硅粉，硅粉颗粒度为0.01～3mm，纯度为99.999％以上；进一步优选为，硅粉原料颗粒度为0.5～1mm，纯度为99.9999％以上；所述碳原料为碳粉，碳粉颗粒度为0.01～5000μm，纯度为99.99％以上；进一步优选为，碳粉原料颗粒度为0.5～25μm，纯度为99.999％以上。进一步地，所述硅粉与碳粉的摩尔比为0.9:1～1.1:1，进一步优选为硅粉与碳粉的摩尔比为1:1。进一步地，所述除氮物质包括铝、钛、钽、锆或其任意组合，纯度均在99.9％以上，形态为粉末状固体，掺入量与碳原料的摩尔比范围是0.001～0.1，除氮物质放置于硅原料和碳原料混合物的上表面、下表面或其他任意位置，该除氮物质可在900～1400℃可以与氮元素发生化学反应形成氮化物，所形成的氮化物在碳化硅合成过程中不发生分解，以固态形式存在于碳化硅粉体表面、底部或者以气态形式随惰性气体排出反应室。进一步地，在步骤(3)中，所述反应室的真空度低于10-3Pa，进一步优选为真空度低于10-4Pa。进一步地，在步骤(4)中，所述反应室温度为900～1200℃，反应时间1～20h，在此温度下，除氮物质与氮元素发生反应，而碳原料与硅原料不发生反应，氮杂质与除氮物质反应后，形成稳定的固态化合物存在于反应室内，或者形成气态的化合物被转移出反应室。进一步地，在步骤(5)中，所述惰性气体包括He、Ne、Ar或其任意组合，所述惰性气体纯度为99.999％以上；所述惰性气体的流量为1～1000sccm，进一步优选为200～500sccm。进一步地，在步骤(5)中，所述反应室压力为0.001～80KPa，进一步优选为20～60KPa。进一步地，在步骤(5)中，所述反应室碳原料和硅原料发生反应的温度为1500～2800℃，进一步优选为1800～1950℃；反应时间1～30h，进一步优选为5～15h。在步骤(6)中，所得到的低含氮量的碳化硅原料，晶型为2H、3C、4H、6H、15R及其任意组合，其氮杂质含量为2×1016个/cm3以下，其形态可以是粉末、颗粒、块体及其任意组合。本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术的方法中，采用了高温时与氮元素发生化学反应的除氮物质，所形成的氮化物在碳化硅合成温度范围内(1800～1950℃)以稳定的形态存在，有效避免氮杂质进入碳化硅晶格中，突破了目前传统的碳化硅原料合成方式，实现了低氮含量的碳化硅原料合成，其氮含量低于2×1016个/cm3，该原料尤其适于高纯半绝缘SiC单晶的生长。附图说明图1为本专利技术所使用的反应室结构剖面示意图；其中，1、坩埚上盖，2、坩埚，3、除氮物质，4、碳、硅混合物，5、感应线圈，6、保温毡。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，如图1所示，本专利技术所使用的碳化硅合成反应室，其主要结构和材料包括：保温毡6，感应线圈5，坩埚2，坩埚上盖1，碳、硅混合物4，除氮物质3。通过感应线圈对坩埚加热，使坩埚表面产生高温，在保温毡的绝热作用下，通过热传导作用，坩埚内部内的碳、硅混合物及除氮物质都被加热，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法，其特征在于，包括以下步骤，(1)将硅原料和碳原料充分混合；(2)在硅原料和碳原料混合物中加入除氮物质，之后将含有除氮物质和碳硅混合物原料的坩埚置于反应室中；(3)对反应室抽真空，降低反应室中的氧气与氮气的含量；(4)对反应室加热，升高温度，使除氮物质与氮元素反应，形成在2400℃以下不会发生分解的固体或气体形态的氮化物；(5)向反应室中通入惰性气体，维持反应室的压力，逐渐升高反应室的温度，使碳原料和硅原料发生反应，逐渐降温至室温，结束反应；(6)将所得到的碳化硅中的氮化物除去，得到低含氮量的碳化硅原料。

【技术特征摘要】
1.一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法，其特征在于，包括以下步骤，(1)将硅原料和碳原料充分混合；(2)在硅原料和碳原料混合物中加入除氮物质，之后将含有除氮物质和碳硅混合物原料的坩埚置于反应室中；(3)对反应室抽真空，降低反应室中的氧气与氮气的含量；(4)对反应室加热，升高温度，使除氮物质与氮元素反应，形成在2400℃以下不会发生分解的固体或气体形态的氮化物；(5)向反应室中通入惰性气体，维持反应室的压力，逐渐升高反应室的温度，使碳原料和硅原料发生反应，逐渐降温至室温，结束反应；(6)将所得到的碳化硅中的氮化物除去，得到低含氮量的碳化硅原料。2.根据权利要求1所述的一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法，其特征在于，所述硅原料为硅的单质形态，包括硅粉、硅颗粒或无定型硅；所述碳原料为碳的单质形态，包括石墨、金刚石或无定型碳。3.根据权利要求2所述的一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法，其特征在于，所述硅原料采用硅粉，硅粉颗粒度为0.01～3mm，纯度为99.999％以上；所述碳原料为碳粉，碳粉颗粒度为0.01～5000μm，纯度为99.99％以上。4.根据权利要求3所述的一种降低碳化硅粉体中氮杂质含量的方法，其特征在于，所述硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛晓龙，杨昆，张福生，刘新辉，路亚娟，
申请(专利权)人：河北同光晶体有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13